磷酸陳化槽內(nèi)槳葉高度對(duì)顆粒懸浮特性影響的數(shù)值模擬

（中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限公司新疆設(shè)計(jì)院， 新疆 克拉瑪依 834000）

磷酸陳化槽內(nèi)槳葉高度對(duì)顆粒懸浮特性影響的數(shù)值模擬

陶保林，汪志福，張兆生，姜 力，何 勇

（中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限公司新疆設(shè)計(jì)院， 新疆 克拉瑪依 834000）

以磷酸陳化槽為研究對(duì)象，使用計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT對(duì)陳化槽內(nèi)的磷石膏固體顆粒的懸浮特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果表明在高攪拌轉(zhuǎn)速條件下，過(guò)大或過(guò)小的槳葉離底高度都不利于顆粒懸浮，攪拌功率隨著槳葉的離底距離先增大，然后趨于穩(wěn)定，但是離底距離對(duì)攪拌功率的影響較小，可以忽略不計(jì)，結(jié)合攪拌槽內(nèi)固相的濃度分布情況，得出相對(duì)最好的槳葉離底距離為陳化槽直徑的0.33倍。

磷酸陳化槽；CFD；槳葉；固-液兩相；功率

磷酸陳化槽是濕法磷酸生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備之一。磷酸陳化槽是通過(guò)槳葉把電機(jī)提供的動(dòng)能傳遞到攪拌介質(zhì)中，從而使陳化槽內(nèi)的介質(zhì)到達(dá)整體循環(huán)流動(dòng)的目的，繼而完成所需的傳質(zhì)、傳熱過(guò)程及固-液均勻混合的目的[1]。研究表明磷酸陳化槽攪拌器的結(jié)構(gòu)型式和混合特性很大程度上決定了磷酸陳化槽內(nèi)固、液物的混合效果，深入研究磷酸陳化槽攪拌器槳葉的結(jié)構(gòu)對(duì)進(jìn)一步改善磷酸陳化槽固-液混合效果、提高后續(xù)的過(guò)濾效果、減低功率消耗、提高磷酸品質(zhì)及避免磷石膏在槽底沉積結(jié)垢都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

在固-液兩相混合攪拌體系中，槳葉的安裝高度對(duì)固、液混合的均勻度和攪拌功率具有重大的影響。槳葉的離底安裝高度與液相的動(dòng)力粘度、固相的直徑及密度、槽體結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)[2]，例如在固相和液相密度比較大的兩相體系中，通常要把攪拌器安裝在離反應(yīng)槽底較近的地方，在液相從液面吸收粉塵類固相的兩相體系中就要把攪拌器安裝在離液體表面較近的地方。

本文以某公司的磷酸陳化槽裝置為原型，利用商業(yè)CFD軟件ANSYS13.0里的FLUENT為工具，對(duì)磷酸陳化槽內(nèi)固體顆粒與高粘度溶液的攪拌混合過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過(guò)更改軸流式PBT(pitched blade down and up flow turbines. PBT45)攪拌器在轉(zhuǎn)速為200 r/min，直徑D=0.33T，磷石膏固體顆粒體積分?jǐn)?shù)為5.2%條件下的離底距離，來(lái)研究磷酸陳化槽內(nèi)槳葉高度對(duì)磷酸陳化槽內(nèi)磷石膏固體顆粒體積分?jǐn)?shù)分布的影響。以期為磷酸陳化槽攪拌器的后續(xù)設(shè)計(jì)、優(yōu)化提供參考。

1 模型與數(shù)值方法

1.1 磷酸陳化槽物理模型

數(shù)值計(jì)算模型中所采用的磷酸陳化槽為圓筒形，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。槽體直徑為T(mén)=1000 mm，液面高度為H=1000 mm，沿圓周方向均布四塊擋板，擋板寬度為100 mm。攪拌槳為四葉PBT槳，如圖2所，槳葉離底的高度為C=T/3，詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1計(jì)算物系為磷石膏-磷酸的固-液兩相，磷酸陳化槽內(nèi)固相（磷石膏顆粒）的密度為2 320 kg/m3，由于陳化槽內(nèi)固相直徑大于0.000 04 m的占70%，故把磷石膏的直徑設(shè)為0.000 04 m，磷石膏固體顆粒體積分?jǐn)?shù)為5.2%；液相（磷酸）的密度為1 540 kg/m3，動(dòng)力粘度為14mPa·s。

圖1 磷酸陳化槽幾何模型Fig.1 Geometric model of phosphate aging tank

圖2 PBT攪拌槳示意圖Fig.2 Geometric model of PBT impellers

表1 PBT攪拌槳參數(shù)表Table 1 PBT impeller parameter table

1.2 網(wǎng)格劃分

使用Gambit軟件和MixSim軟件作為網(wǎng)格生成時(shí)的前處理模塊，建立陳化槽的幾何及網(wǎng)格模型，生成非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，然后通過(guò)FLUENT軟件進(jìn)行處理，把非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)化的六面體網(wǎng)格，經(jīng)過(guò)這樣的處理就使得網(wǎng)格模型中的網(wǎng)格數(shù)量大大減少，從而提高了計(jì)算軟件的計(jì)算速度。由于攪拌槳槳葉結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，為了提高對(duì)近槳葉區(qū)域流場(chǎng)的計(jì)算精度，所以對(duì)這塊區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格進(jìn)行了網(wǎng)格加密處理，最后生成的總網(wǎng)格數(shù)量為230 302。所劃分的網(wǎng)格格示意圖如圖3所示。

1.3 邊界條件及求解策略

將液面處邊界條件設(shè)為Symmetric；槽體壁面、攪拌軸、葉輪、擋板等部位設(shè)置為壁面邊界條件，設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)的壁面函數(shù)，其中壁面、擋板為靜止的壁面邊界條件，攪拌軸、葉輪為運(yùn)動(dòng)的壁面；選用Eulerian-Eulerian模型對(duì)陳化槽的固液體系進(jìn)行數(shù)值模擬；液相湍流模型選用RNG κ-ε湍流模型；近壁區(qū)域流動(dòng)的處理方法采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法；由于計(jì)算體系中斯托克斯數(shù)要比1小很多，因此多相κε湍流模型選用Dispersed湍流模型；相間阻力系數(shù)使用Gidaspow模型；采用多重參考系法（MRF）對(duì)槳葉區(qū)域進(jìn)行處理[3]，槳葉及其附近的區(qū)域定義為內(nèi)計(jì)算域，其它區(qū)域定義為外計(jì)算域，內(nèi)計(jì)算域采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，外計(jì)算域采用靜止坐標(biāo)系。由于動(dòng)區(qū)域和靜區(qū)域之間有能量和質(zhì)量的交換，因此它們的接觸面設(shè)置為interface邊界條件；控制方式的傳送項(xiàng)采用SIMPLE算法；差分格式采用一階迎風(fēng)格式；時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為0.01 s，流體流動(dòng)為定常流動(dòng)，所有項(xiàng)的殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)均采用10-4。

圖3 陳化槽槽網(wǎng)格示意圖Fig.3 Grid in a aging tank

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 流場(chǎng)分析

圖4是磷酸陳化槽內(nèi)的速度矢量圖，從圖中可以看出，在攪拌器距離磷酸陳化槽底面高度為0.25T時(shí)，環(huán)流作用位置大部分分布于磷酸陳化槽中下處，同時(shí)因?yàn)槭艿疥惢鄣撞勘诿娴膭傂韵拗疲@股環(huán)流沒(méi)有完全的變大，這個(gè)時(shí)候僅有磷酸陳化槽下面位置處的磷石膏獲得液流的推動(dòng)力而與磷酸混合，磷酸陳化槽上面大多區(qū)域的磷石膏由于沒(méi)能得到足夠的懸浮動(dòng)力再地球引力的推動(dòng)下沉降，最終在流場(chǎng)穩(wěn)定后聚集于磷酸陳化槽的底部壁面處，因?yàn)闃~在轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中有不同等級(jí)的渦漩生成，這些渦漩使得磷石膏在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候有徑向力，因而磷酸陳化槽葉片周圍環(huán)流區(qū)磷石膏體積分?jǐn)?shù)最大；當(dāng)攪拌器距離磷酸陳化槽底面高度為0.33T時(shí)，環(huán)流在磷酸陳化槽的全部流體區(qū)域內(nèi)形成，這時(shí)候攪拌器不但給磷酸陳化槽下面位置處的磷石膏提供了較大的懸浮動(dòng)力，使得陳化槽底部壁面位置處磷石膏顆粒不能夠聚集，而且也給上面位置處的流場(chǎng)提供了足夠的攪拌動(dòng)能，使得整個(gè)磷酸陳化槽流體域內(nèi)的磷石膏體積分?jǐn)?shù)差大大的變小了；

圖4 轉(zhuǎn)速200 r/min時(shí)不同槳葉離底距離下的流場(chǎng)速度矢量圖Fig.4 Velocity vectors under different impeller clearance at the rotation speed of 200 r/min

圖5 轉(zhuǎn)速200 r/min時(shí)不同槳葉離底距離下的固相濃度分布Fig.5 Concentration fields under different impeller clearance at the rotation speed of 200 r/min

當(dāng)攪拌器距離磷酸陳化槽底面高度增大到0.5T時(shí)，雖然環(huán)流充分的作用于磷酸陳化槽全部液流區(qū)域內(nèi)，但是，因?yàn)榱姿彡惢巯旅嫖恢锰幍牧资嗑嚯x流場(chǎng)的環(huán)流強(qiáng)度內(nèi)的磷石膏沒(méi)有能夠得到充分的混合動(dòng)力而聚集于磷酸陳化槽下面位置處，磷石膏體積分?jǐn)?shù)的均勻度在整個(gè)磷酸陳化槽內(nèi)變小了，攪拌器綜合混合能力反而減弱[4]。

2.2 濃度分布

從圖5可以看出，當(dāng)攪拌器距離陳化槽底面高度為0.25T時(shí)，在磷酸陳化槽的槽體結(jié)構(gòu)中下位置處，磷石膏固體顆粒濃度較大，陳化槽頂部磷石膏體積分?jǐn)?shù)很低，幾乎為0，陳化槽內(nèi)磷石膏的分布存在明顯的層狀分布狀況。這是因?yàn)榇藭r(shí)槳葉離底距離較小，在陳化槽內(nèi)僅槽底及槳葉附近區(qū)域的液流流動(dòng)強(qiáng)度較大，靠近液面位置處的顆粒受到液流的流動(dòng)強(qiáng)度影響較小。當(dāng)攪拌器距離陳化槽底面高度增加到0.33T時(shí)，磷酸陳化槽上面部位磷石膏體積分?jǐn)?shù)分布情況得到了很大的改善，中下部磷石膏體積分?jǐn)?shù)分布更加一致，只存在靠近攪拌軸部位極少地方的體積分?jǐn)?shù)偏低，磷酸陳化槽的流體域中大于85%的部位滿足均勻懸浮的標(biāo)準(zhǔn)[5]，已完成滿意的固-液兩相攪拌混合效果，能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求；當(dāng)攪拌器距離磷酸陳化槽底面高度增加到0.5T時(shí)，雖然此時(shí)磷酸陳化槽上面部位從攪拌器那里得到了更多的動(dòng)力，磷石膏分層狀況明顯減弱，但攪拌綜合效果反而降低，陳化槽下面部位處的磷石膏不能從槳葉處獲得足夠的攪拌動(dòng)力[6]，造成磷石膏在槽底位聚集、結(jié)疤，體積分?jǐn)?shù)明顯的高于中上部部位。

2.3 功率分布

在磷酸陳化槽內(nèi)攪拌器所消耗的功率大部分都用于陳化槽內(nèi)介質(zhì)的剪切與循環(huán)，是單位時(shí)間內(nèi)提供給磷酸陳化槽內(nèi)介質(zhì)的能量，這其中不含軸封和轉(zhuǎn)動(dòng)裝置處磨損消耗的能量。

攪拌功率P可由下面公式求得

式中:T—力矩，通過(guò)FLUENT軟件的后處理功能里面的受力報(bào)告模塊可以直接得到；

N—攪拌軸每分鐘的轉(zhuǎn)速。

圖 6 200 r/min時(shí)不同槳葉離底距離下的功率消耗Fig.6 Power consumption of the aging tank with different impeller clearance at the rotation speed of 200 r/min

圖6 是槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)速度為200 r/min情形下的攪拌功率與攪拌器的離底安裝高度之間的變化關(guān)系，從圖中我們可以了解到，在槳葉離底安裝高度不大的情形下，攪拌器的功耗隨著槳葉安裝高度的變大而變大，當(dāng)槳葉的安裝高度增大到某一值后，再增加槳葉的安裝高度，槳葉的功耗將不會(huì)發(fā)生大幅度的變化，而是在某一固定值附近波動(dòng)，結(jié)合圖4、圖5可以看出當(dāng)槳葉離底安裝高度C=0.33T時(shí)電機(jī)功率消耗最合理，此時(shí)傳遞到流場(chǎng)中的功率值接近最大。從功率消耗的數(shù)值大小方面來(lái)講，攪拌器的離底安裝高度對(duì)電機(jī)功率消耗值的改變幅度并不大，最大值與最小值的浮動(dòng)區(qū)間在0.01 kW左右，基本上可以忽略[7]。通過(guò)本節(jié)的分析，綜合考慮，可以認(rèn)為最優(yōu)的槳葉離底安裝高度為C=0.33T。

3 結(jié) 論

(1) 在槳葉中心軸線下方，不管槳葉離陳化槽底面的高度為多高，分布在該區(qū)域的徑向速度均較小，因此該區(qū)域?yàn)榛旌洗魷^(qū)，容易造成磷石膏固體顆粒在此處聚集、結(jié)疤。

(2) 在一定的攪拌轉(zhuǎn)速條件下，磷酸陳化槽內(nèi)槳葉離底面的高度過(guò)大或過(guò)小的都不利于磷石膏固體顆粒的懸浮，攪拌功率隨著槳葉的離底距離先增大，然后趨于穩(wěn)定，但是離底距離對(duì)攪拌功率的影響較小，可以忽略不計(jì)，結(jié)合磷酸陳化槽內(nèi)流場(chǎng)及固相濃度的分布情況，得出相對(duì)最好的槳葉離底距離為陳化槽直徑的0.33倍。

［1］ 張?jiān)氏?. 磷肥及復(fù)合肥料工藝學(xué) [M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008．

［2］ 陳志平、章序文、林興華,等．?dāng)嚢枧c混合設(shè)備設(shè)計(jì)選用手冊(cè)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004．

［3］ 李鵬飛、徐敏義、王飛飛,等．精通CFD工程仿真與案例實(shí)戰(zhàn)[M]．北京：人民郵電出版社，2011．

［4］歐陽(yáng)峰．新型穿流式攪拌槳在濕法磷酸反應(yīng)器中的應(yīng)用[J]．西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2000,35(2):145-150.

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Numerical Simulation on Influence of Impeller Clearance in Phosphate Aging Tank on Particle Suspension Performance

TAO Bao-lin，WANG Zhi-fu，ZHANG Zhao-sheng，JIANG Li，HE Yong
（Xinjiang Design Institute of China Petroleum Engineering Co., Ltd., Xinjiang Karamay 834000，China）

Taking phosphate aging tank as the research object, the characteristic simulation for suspension of solid particles inside phosphate aging tank was carried out by a computational fluid dynamics software FLUENT. The results show that, under the conditions of high agitation speed, too large or too small distance from the bottom to the blade is not conducive to particle suspension; the mixing power firstly increases and then tends towards stability with increasing of the distance from the bottom to the blade, but the distance has little effect on the stirring power. Combined with the concentration distribution of the solid phase in phosphate aging tank, it can be concluded that the best distance from the bottom to the blade is 0.33 times diameter of the aging tank.

Phosphate aging tank; CFD; Blade; Solid-liquid two phase

TQ 050

： A

： 1671-0460（2014）04-0639-04

2013-10-15

陶保林（1985-），男，湖北黃梅人，碩士研究生，2013年畢業(yè)于武漢工程大學(xué)，研究方向：過(guò)程設(shè)備節(jié)能及優(yōu)化，從事化工設(shè)備設(shè)計(jì)工作。E-mail：258239407@qq.com。